無刷直流電機振動檢測系統(tǒng)設計的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明是一種針對無刷直流電機在加速性能衰退過程中振動信號檢測方法的設計。以期通過設計成果為無刷直流電機在運行過程的振動信號特征參數(shù)采集提供高效可靠的方法，屬于方法與試驗領域。
【背景技術】
[0002]在無刷直流電機的長期運行過程中，會出現(xiàn)性能衰退現(xiàn)象，其結構、部件會逐漸劣化，逐漸失去原有性能和功能，軸會出現(xiàn)磨損，會暴露出一些不正常狀態(tài)，這就會帶來安全性問題。為避免產品在運行中發(fā)生安全事故，就需要在事故癥候出現(xiàn)之前對產品進行維修或更換。目前，還沒有具體的方法對無刷直流電機運行過程中的維修或更換決策作出指導。這樣就使得無刷直流電機的維修或更換決策具有極大的盲目性，不僅無法保證產品運行過程中的安全性，而且過早更換報廢還會造成極大的資源浪費。
[0003]另一方面，當無刷直流電機發(fā)生異?；虺霈F(xiàn)故障時，運行過程中的抖動情況會加劇。事實上，在無刷電機的整個工作壽命中，電機的振動情況會隨著工作時間的增加逐漸發(fā)生變化，而且這個振動信號是可測量的。因此對電機的振動響應信號的監(jiān)測能夠獲得其性能狀態(tài)的有效信息，是一種無損監(jiān)測方式，且監(jiān)測手段相對簡單。
[0004]本專利提出了一種采集無刷直流電機在加速性能衰退過程中振動信號檢測系統(tǒng)的設計方法。首先，設計搭建了一個試驗系統(tǒng)，模擬受試電機的實際工作情況，通過轉速和使用頻率加速的方式進行加速性能衰退試驗，然后通過測量受試電機的振動信號來間接觀測電機的退化情況。從而達到通過對振動信號進行分析和處理，最終預測無刷直流電機壽命和檢測故障的目的。
[0005]而在無刷直流電機的性能衰退過程中振動信號檢測系統(tǒng)的設計，還沒有相應的研究，因此本專利提出該方法是具有一定獨創(chuàng)性的。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提出一種能夠有效的采集無刷直流電機在加速性能衰退過程中振動信號采集系統(tǒng)的設計方法，以此獲得準確有效的性能衰退數(shù)據(jù)。
[0007]本發(fā)明的具體步驟為：
[0008]步驟一、電機安裝夾具設計及無刷直流電機固定方法；
[0009]步驟二、無刷直流電機應力控制及定量輸入；
[0010]步驟三、測試點的選擇；
[0011]步驟四、測量及監(jiān)控系統(tǒng)；
[0012]步驟五、振動退化信號的采集系統(tǒng)。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0014](1)本發(fā)明能夠實現(xiàn)無刷直流電機工作信號的定量輸入，從而使得無刷直流電機加速性能衰退試驗具有可行性；
[0015](2)本發(fā)明為無刷直流電機的振動信號采集提供了簡單、高效的檢測系統(tǒng)，具有極大的實用性和可推廣性。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的模塊關系示意圖；
[0017]圖2是本發(fā)明的方法流程圖；
[0018]圖3是本發(fā)明工作信號定量輸入方法原理示意圖；
[0019]圖4是本發(fā)明的監(jiān)控計算機模塊示意圖；
[0020]圖5是本發(fā)明的振動數(shù)據(jù)采集模塊示意圖；
[0021]圖6是本發(fā)明的實施例的夾具示意圖；
[0022]圖7是本發(fā)明的實施例的工作信號定量輸入方法示意圖；
[0023]圖8是本發(fā)明的實施例的測試點選取示意圖；
[0024]圖9是本發(fā)明的實施例的加速性能衰退試驗臺示意圖。
【具體實施方式】
[0025]本專利發(fā)明的無刷直流電機振動檢測系統(tǒng)主要包括試驗臺模塊、信號控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、監(jiān)控計算機模塊和振動信號測試五個模塊組成，這些模塊的關系示意圖如圖1所示。下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0026]方法的流程圖如圖2所示，包括以下幾個步驟：
[0027]步驟一、電機安裝夾具設計及無刷直流電機固定方法
[0028]1)電機安裝夾具
[0029]為真實地模擬無刷直流電機（應用于多旋翼無人系統(tǒng)）運行時的振動狀態(tài)，本發(fā)明的試驗中無刷直流電機需帶負載進行試驗。同時設計夾具，使夾具的反作用力同負載產生的力相平衡，如工字型夾具，以保證試驗中試驗臺的穩(wěn)定。另根據(jù)《電機試驗標準手冊》規(guī)定，為保證振動信號可測且不受地面影響，需對受試電機進行彈性安裝，則需在夾具下放置彈性系數(shù)合適的軟墊，且軟墊的面積應大于電機投影面積的1. 2倍。因此本專利中，在夾具下放置了面積為夾具面積1. 2倍的軟墊，如海綿墊。
[0030]2)無刷直流電機固定方法
[0031]夾具的材質應具有可塑性強、表面處理性良好、無磁性、彈性系數(shù)小及碰撞摩擦不起火花的優(yōu)良性能，如鋁型材，以保證夾具對試驗無影響。另外，為避免電機與夾具之間產生共振，干擾試驗數(shù)據(jù)的采集，影響試驗數(shù)據(jù)的真實性，需保證受試電機與夾具間的剛性連接，并且將受試電機剛性固定，避免試驗臺整體質量不均勻造成振動信號干擾。夾具的下底面應足夠平整，以避免夾具不穩(wěn)定影響振動信號，所以受試電機的固定方式應保證夾具下底面的平整性。
[0032]通過該步驟，即完成了本專利的試驗臺模塊。
[0033]步驟二、無刷直流電機應力控制及定量輸入
[0034]無刷直流電機的工作是由電能驅動和脈沖波控制的共同作用下完成的，該試驗裝置能測量的參數(shù)主要包括振動數(shù)據(jù)、轉速、電流、電壓和溫度；能施加的應力主要包括：電應力和轉速應力。由于電機在實際運行中受電壓的影響較大，因此本專利選擇對無刷電機的輸入電壓進行定量控制。
[0035]本專利采用的方法是：首先通過電源定量控制輸入電壓值；然后通過控制板發(fā)射出脈沖信號，來實現(xiàn)電機工作應力的定量控制。通過該步驟，即完成了本專利的信號控制模塊設計。
[0036]步驟三、測試點的選擇
[0037]根據(jù)無刷直流電機的結構特點，若受試電機的尺寸足夠大，則可將測試點直接設置在電機的外殼上，這樣受試電機軸承的振動帶動外殼同步振動；若受試電機的尺寸較小，那么其定子上沒有足夠的面積粘貼傳感器，而轉子是一個高速旋轉的部件，同樣無法面積粘貼傳感器。所以直接在電機上安裝傳感器對其進行實時監(jiān)測不太合理。而在實際電機運行過程中，轉子振動會傳遞到軸承上，而軸承與機架制造為一體，而本專利中又將無刷直流電機與試驗夾具進行了剛性連接，那么機架的振動則會帶動夾具同步振動，這樣夾具的振動即為軸承的振動。所以，對電機轉子的振動監(jiān)測實際上是通過對試驗夾具進行振動監(jiān)測來實現(xiàn)的。一般測定電機振動需要從三個方向測定，即軸向、水平方向、垂直（上下）方向，其中水平和垂直方向又稱為徑向。理想的測試點應該是把X，Y，Z軸的傳感器都放在電機附近，但同時應考慮到振動信號強大和夾具條件的允許，進行適當?shù)恼{整。測試過程中，為保證測試精度，測點位置將保持不變。通過該步驟，即完成了本專利的數(shù)據(jù)采集模塊設計。
[0038]步驟四、測量及監(jiān)控系統(tǒng)
[0039]由于無刷直流電機敏感應力還包括轉速應力和溫度應力，所以還需要對電機運行中的轉速和溫度進行測量。采用測速儀對槳葉的轉速進行監(jiān)控，如反光式測速儀、紅外線測速儀等；采用測溫儀對受試電機機身的溫度進行監(jiān)控，如紅外測溫儀、多通道智能測溫儀等。測得的數(shù)據(jù)不僅有助于輔助分析無刷直流電機在退化過程中其他性能的退化特征；而且還有助于試驗過程中的安全性，避免溫度過高造成事故。監(jiān)控系統(tǒng)還包括遠程無線監(jiān)控，可以在試驗過程中對整個試驗臺的運行情況進行實時視頻監(jiān)控，無需試驗人員在現(xiàn)場監(jiān)控，提高了試驗的效率也保證人員的安全。通過該步驟，即完成了本專利的監(jiān)控計算機模塊設計。
[0040] 步驟五、振動信號的采集系統(tǒng)
[0041]通過以上四個步驟，已經可以完成無刷直流電機的夾具設計、控制信號的定量輸入、振動測試點的選取以及整個試驗過程的測試與監(jiān)控。那么接下來則可以對受試電機的振動信號進行采集。振動信號的采集系統(tǒng)的設計主要包括以下幾個部分：
[0042]1)振動傳感器的選擇
[0043]振動傳感器的選擇應滿足測試要求，若選取的無刷直流電機振動頻率在xHz，那么振動傳感器的頻率測試范圍就應包含xHz ;同時為了提高采集信號的質量，避免噪音干擾信號，應選取靈敏度較高的傳感器，以滿足試驗數(shù)據(jù)的可靠性。另外，還應考慮試驗夾具的尺寸，傳感器的直徑應小于夾具的厚度。
[0044]2)振動數(shù)據(jù)采集卡選擇
[0045]振動數(shù)據(jù)采集卡就是完成傳感器模擬或數(shù)字電壓模擬信號轉換成數(shù)字信號，并把數(shù)字信號傳輸至計算機的電路板卡。選擇的振動數(shù)據(jù)采集卡通道數(shù)應大于等于采集振動信號的軸向數(shù)。
[0046]3)振動數(shù)據(jù)采集分析軟件
[0047]振動數(shù)據(jù)采集分析軟件是對數(shù)據(jù)采集卡傳送的數(shù)字信號進行波形、頻譜等相關信號的顯示、分析和存儲的軟件系統(tǒng)。
[0048]通過該步驟，即完成了本專利的振動信號測試模塊設計。
[0049]綜上所述，本專利的無刷直流電機退化試驗臺的搭建即可完成。通過該試驗臺，可對無刷直流電機在運行過程中的退化數(shù)據(jù)進行采集分析，為產品的故障和壽命預測提供分析數(shù)據(jù)。該方法還可應用于加速退化試驗、加速壽命試驗等可靠性試驗技術中，從而為產品提供更全面的可靠性評估。
[0050]實施例:
[0051]某型號無刷直流電機需要進行故障檢測和壽命預測，以更好地開展可靠性評估和安全預防工作?，F(xiàn)利用本專利提出的方法，開展相應的試驗，以獲得該型號無刷直流電機振動信號退化數(shù)據(jù)。
[0052]步驟一、試驗夾具及無刷直流電機固定方法
[0053]1)試驗夾具
[0054]根據(jù)該型號無刷直流電機參數(shù)規(guī)格，帶槳運行產生的最大拉力為20N，那么為了保證試驗中試驗臺的穩(wěn)定性，避免電機拉力干擾振動信號，夾具重量應遠大于20N。另外該型號槳葉